基于CAN總線的智能照明控制系統(tǒng)

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的日益發(fā)展和社會(huì)物質(zhì)文化水平的不斷提高，人們開始追求燈光藝術(shù)帶來的美的享受，注重照明和其他相關(guān)設(shè)備、系統(tǒng)的整體控制效果，照明控制系統(tǒng)的安裝捷性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)成為關(guān)注的熱點(diǎn)，智能大廈內(nèi)需大量的燈光照明設(shè)備，傳統(tǒng)的控制方法是將被控制的設(shè)備連線引入控制室，這樣不僅造成電力電纜鋪設(shè)過多，增加了投資成本，而且還大大增加了燈回路的輻射干擾，對(duì)空間電磁環(huán)境造成了污染，智能照明控制系統(tǒng)為智能辦公大廈的照明提供了新途徑。

隨著微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了微機(jī)型燈光控制系統(tǒng)，它采用網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，使得照明燈的電力線路可以不再經(jīng)過控制室，而直接引入頂棚或馬道。這種控制方法不僅可以方便地控制更燈光的亮度，還減少了電力線路及相應(yīng)設(shè)施投資，減少了燈回路的輻射干擾，而且可以使燈回路采用母線方式布線，線路規(guī)整，便于安裝維修。但在目前使用的微機(jī)型燈光控制系統(tǒng)中，由于網(wǎng)絡(luò)通信大多采用rs-232、rs-485、20ma電流環(huán)等通信方式，因而普遍存在通信距離短、數(shù)據(jù)傳輸速度慢、誤碼率高、可靠性差等問題。

在微機(jī)燈光控制系統(tǒng)中引入開放系統(tǒng)互聯(lián)的通信網(wǎng)絡(luò)--現(xiàn)場總線可解決上述問題，本文介紹的基于can總線的微機(jī)燈光控制系統(tǒng)就是采用現(xiàn)場總線控制技術(shù)，構(gòu)成全分散式微機(jī)燈光控制系統(tǒng)，有效地解決了微機(jī)型燈光控制系統(tǒng)的不足，can總線所需的完善的通信協(xié)議可由can控制器芯片和接口芯片實(shí)現(xiàn)，大大降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度、組成成本，縮短了開發(fā)周期，這些是目前can總線應(yīng)用于眾多領(lǐng)域、具有強(qiáng)勁的市場競爭力的原因，也是在燈光控制系統(tǒng)中選用can網(wǎng)絡(luò)總線的理由所在。該系統(tǒng)投資少、功能強(qiáng)、可靠性高、便于擴(kuò)展，特別適合大型的智能辦公大廈對(duì)燈光設(shè)備的控制需要。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想

系統(tǒng)設(shè)計(jì)從保證系統(tǒng)可靠性和降低成本并具有通用性、實(shí)時(shí)性和可擴(kuò)展性等方面著手。

（1）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎每偩€式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，這種結(jié)構(gòu)比環(huán)形結(jié)構(gòu)吞吐率低，但結(jié)構(gòu)簡單、成本低、且無源抽頭連接，系統(tǒng)可靠性高。

（2）can總線控制器工作于多主方式，采用多主站依據(jù)優(yōu)先權(quán)訪問總線，支持主從或廣播方式，最大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)110個(gè)，最大傳輸速率1mbps，最遠(yuǎn)距離10km（也可以接can中繼器增加距離，但通信速率會(huì)下降），同時(shí)具有極強(qiáng)的錯(cuò)誤處理能力。

（3）can遵循iso標(biāo)準(zhǔn)模式，具體定義了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，在工程上，這兩層通常由can控制器和收發(fā)器實(shí)現(xiàn)，can總線控制器通常有兩類：一類是在片的can微控制器。采用這種器件可以方便用戶制作印刷板、電路圖也比較緊湊，另一類是獨(dú)立的can控制器，可以使開發(fā)人員根據(jù)需要選用比較實(shí)用的單片機(jī)，本系統(tǒng)選擇獨(dú)立的can控制器。

（3）該系統(tǒng)的上位機(jī)是pc機(jī)，由于pc機(jī)有多條擴(kuò)展槽，利用局域網(wǎng)通信卡、使得該系統(tǒng)很容易與其他部門聯(lián)網(wǎng)，便于統(tǒng)一調(diào)度和管理，另外選用pc機(jī)還可以充分利用現(xiàn)有的軟件工具和開發(fā)系統(tǒng)，方便快捷地設(shè)計(jì)功能豐富的計(jì)算機(jī)軟件，該系統(tǒng)的控制臺(tái)由pc機(jī)、pc總線適配卡和相應(yīng)的軟件組成。

（5）傳輸介質(zhì)采用雙絞線，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在控制器與傳輸介質(zhì)之間采取光電隔離。

（6）信息傳輸采用can通信協(xié)議，該系統(tǒng)的主要通信方式是控制臺(tái)向各個(gè)控制器發(fā)送控制數(shù)據(jù)以及各控制器向控制臺(tái)發(fā)揮各種檢測信息。

2 智能照明節(jié)點(diǎn)模塊的硬件設(shè)計(jì)

智能節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

從成本和難易程度考慮，系統(tǒng)采用at89c52作微控制器。at89c52是一種高性能、低功耗采用coms工藝制造的8位微控制器，擁有8kb的可編程閃存，它為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種高效靈活的解決方案，其功能是根據(jù)上位機(jī)的給定值控制執(zhí)行器，系統(tǒng)的執(zhí)行器是可控硅控制電路，通過它提供均勻可調(diào)的輸出電壓以調(diào)節(jié)電燈的亮度。

上位機(jī)可以根據(jù)傳感器所提供的外界光照度，判斷此時(shí)的燈光亮度范圍，再向控制器發(fā)送控制數(shù)據(jù)，使執(zhí)行器按照設(shè)定的值調(diào)節(jié)燈光亮度，傳感器1采用光敏傳感器可將光信號(hào)變成電信號(hào)、電信號(hào)的大小隨光的強(qiáng)弱成比例變化，所以使用它可以根據(jù)室外光線照度的變化對(duì)燈光進(jìn)行調(diào)節(jié)，在保證一定標(biāo)準(zhǔn)照度的同時(shí)最大限度地節(jié)約能源。傳感器2是熱釋電傳感器，其只對(duì)運(yùn)動(dòng)的人或物體敏感，利用它可以知道房間里是否有人，進(jìn)而可以及時(shí)地將無人區(qū)的燈關(guān)掉，以免造成不必要的浪費(fèi)。

can控制器選用philips公司生產(chǎn)的sja1000。它是pca82c200的替代產(chǎn)品，可完成can通信協(xié)議所要求的全部特性，經(jīng)過簡單的總線連接可以完成can總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，它能夠提供總線仲裁及錯(cuò)誤檢測功能，并且在檢測到錯(cuò)誤時(shí)能自動(dòng)重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)，從而減少數(shù)據(jù)的丟失，確保了系統(tǒng)的可靠性，它通過直接內(nèi)存映射方式訪問can控制器，同時(shí)，新增加的can模式（pelican）還可以支持can2.0b協(xié)議。

can收發(fā)器采用philips公司生產(chǎn)的pca82c250，它是can控制器與物理總線之間的接口，提供向總線的差動(dòng)發(fā)送功能和對(duì)can控制器的差動(dòng)接收功能。

采用光電耦合是為將網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)內(nèi)部隔離，以提高抗干擾能力，這里采用高速光電耦合器6n137。

看門狗采用集看門狗、復(fù)位電路與eprom于一體的x25045，由于看門狗和eprom有著重要的作用，看門狗可以防止因程序的"跑飛"而引起故障。eprom可以存儲(chǔ)掉電前所需保護(hù)重要參數(shù)、can節(jié)點(diǎn)的配置參數(shù)，包括屏蔽字和校驗(yàn)碼、報(bào)文定義等。

can總線適配卡可以自己設(shè)計(jì)，但目前市場上的can總線通信適配卡產(chǎn)品較多，而且技術(shù)也很成熟，所以選用了北京華控公司的hk--caniso智能pc總線通信適配卡。

3 智能照明系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

智能照明節(jié)點(diǎn)模塊的軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，具有良好的模塊性，可修改性和可移植性。程序用franklin c51和asm51語言混合編寫，franklin c51是一種與c語言十分類似的高級(jí)語言，具有較高的效率，可讀性好，易于修改，采用c51可減輕軟件編程的工作量，軟件設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)的初始化程序、報(bào)文發(fā)送和接收程序以及can總線的初始化設(shè)計(jì)，這是can總線設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)，也是一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)，為了提高通信的實(shí)時(shí)性，采用中斷接收方式，為了能支持更多的can協(xié)議功能，在初始化時(shí)使sja1000工作在peli can模式，智能照明節(jié)點(diǎn)的主流程如圖3所示。

上位機(jī)監(jiān)控軟件采用delphi實(shí)現(xiàn)，具有良好的界面和可操作性。

國外的智能照明控制系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，無論室內(nèi)、室外，然而我國在燈光調(diào)控、節(jié)能方面的研究起步較晚（目前，燈光調(diào)控在美國的使用率70%，歐洲40%-50%，亞洲10%-15%，在日、韓占15%-20%，而中國還不到1‰），當(dāng)前較先進(jìn)、流行的燈光控制系統(tǒng)采用的"shownet"數(shù)字網(wǎng)絡(luò)也只是為將來應(yīng)用can協(xié)議打下基礎(chǔ)，本文在智能照明控制系統(tǒng)中應(yīng)用can總線技術(shù)，通過上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行燈光調(diào)控，有一定先進(jìn)性。該系統(tǒng)經(jīng)擴(kuò)展后有著非常廣闊的應(yīng)用前景，不僅是辦公大樓、商業(yè)中心等公共場所理想的智能照明控制且在節(jié)能方面也有著重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。